Wat is het verschil tussen OFDM en CP-OFDM?

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) en CP-OFDM (Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) zijn beide modulatietechnieken die vaak worden gebruikt in draadloze communicatiesystemen, vooral in de context van transmissie met hoge datasnelheid via frequentieselectieve kanalen.

Ze delen veel overeenkomsten, maar verschillen vooral in de manier waarop ze omgaan met de kwestie van inter-symboolinterferentie (ISI). In deze uitgebreide uitleg zal ik een diepgaande vergelijking geven tussen OFDM en CP-OFDM, waarbij ik hun belangrijkste verschillen en toepassingen belicht.

1. Basisprincipes:

OFDM:OFDM is een modulatieschema met meerdere dragers dat een stroom met hoge datasnelheid verdeelt in meerdere subdragers met lagere datasnelheid. Deze subdragers staan orthogonaal ten opzichte van elkaar, wat betekent dat ze niet met elkaar interfereren. Elke subdraaggolf draagt een deel van de originele gegevens en samen vormen ze het verzonden signaal. OFDM vertrouwt op de Fast Fourier Transform (FFT) om de gegevens tussen tijd- en frequentiedomeinen te converteren.
CP-OFDM:CP-OFDM is een variant van OFDM die de kwestie van ISI aanpakt. Het voegt een cyclisch voorvoegsel toe aan elk OFDM-symbool. Het cyclische voorvoegsel is een kopie van het eindgedeelte van het symbool, dat aan het begin wordt toegevoegd. Dit cyclische voorvoegsel helpt bij het bestrijden van ISI door de ontvanger in staat te stellen de effecten van de energie van het vorige symbool te negeren, waardoor het effectief als bewakingsinterval fungeert.

2. Omgaan met ISI:

OFDM:In standaard OFDM is er geen bewakingsinterval, dus gevoelig voor ISI veroorzaakt door vertraagde multipath-signalen. Dit betekent dat als er meerdere paden zijn die het signaal nodig heeft om de ontvanger te bereiken, en deze paden verschillende vertragingen hebben, de symbolen elkaar kunnen overlappen in het tijdsdomein, wat tot interferentie kan leiden.
CP-OFDM:CP-OFDM elimineert ISI effectief door het cyclische voorvoegsel te gebruiken. Het cyclische voorvoegsel zorgt ervoor dat zelfs als er sprake is van multipath-interferentie, de vertraagde kopieën van het signaal het huidige symbool niet verstoren. De ontvanger kan het cyclische voorvoegsel verwijderen en het originele symbool herstellen zonder ISI.

3. Spectrale efficiëntie:

OFDM:OFDM kan minder spectraal efficiënt zijn in vergelijking met CP-OFDM omdat het geen bewakingsinterval gebruikt. Het bewakingsinterval in CP-OFDM vermindert het aantal gegevensdragende subdraaggolven, waardoor de spectrale efficiëntie enigszins afneemt.
CP-OFDM:CP-OFDM is robuuster tegen ISI, maar offert een klein deel van de beschikbare bandbreedte op voor het bewakingsinterval. Deze afweging tussen spectrale efficiëntie en robuustheid is een essentiële overweging bij het systeemontwerp.

4. Complexiteit:

OFDM:OFDM is relatief eenvoudig qua implementatie. Het vereist niet de toevoeging van een cyclisch voorvoegsel, waardoor het rekenkundig minder complex wordt.
CP-OFDM:CP-OFDM vereist het invoegen en verwijderen van het cyclische voorvoegsel bij zowel de zender als de ontvanger, wat enige complexiteit aan het systeem toevoegt. Moderne signaalverwerkingstechnieken hebben deze complexiteit echter beheersbaar gemaakt.

5. Toepassingen:

OFDM:OFDM wordt vaak gebruikt in draadloze communicatiesystemen met hoge datasnelheid, zoals Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax) en digitale uitzendingen (DVB-T, DVB-T2). Het is zeer geschikt voor toepassingen waarbij spectrale efficiëntie een primaire zorg is, en het kanaal relatief vrij is van ernstige multipath-interferentie.
CP-OFDM:CP-OFDM heeft de voorkeur in toepassingen waar multipath-interferentie een groot probleem is, zoals draadloze communicatie in stedelijke omgevingen, waar signalen tegen gebouwen kunnen weerkaatsen en meerdere paden met verschillende vertragingen creëren. Het wordt gebruikt in de mobiele communicatiestandaarden 4G LTE en 5G NR (New Radio).

6. Prestaties in reële omgevingen:

OFDM:OFDM kan goed presteren in scenario’s met minimale multipath-interferentie, waardoor het geschikt is voor toepassingen zoals snelle draadloze LAN’s (Local Area Networks).
CP-OFDM:CP-OFDM schittert in uitdagende omgevingen met aanzienlijke multipath-voortplanting, waardoor het ideaal is voor mobiele communicatie, waar signalen complexe stedelijke landschappen moeten doorkruisen.

7. Robuustheid:

OFDM:OFDM is minder robuust in de aanwezigheid van multipath-interferentie, waardoor het onder dergelijke omstandigheden gevoelig is voor fouten.
CP-OFDM:Het cyclische voorvoegsel van CP-OFDM verbetert de robuustheid ervan, waardoor betrouwbare communicatie kan worden gehandhaafd, zelfs bij ernstige multipath-propagatie.

8. Coëxistentie met oudere systemen:

OFDM:OFDM kan voor uitdagingen komen te staan bij het naast elkaar bestaan met oudere systemen die andere modulatietechnieken gebruiken, omdat het geen inherente achterwaartse compatibiliteit biedt vanwege de unieke spectrale kenmerken.
CP-OFDM:CP-OFDM is ontworpen om beter naast oudere systemen te kunnen bestaan, omdat het een meer traditionele signaalstructuur vertoont met het cyclische voorvoegsel, wat helpt bij achterwaartse compatibiliteit.

Concluderend zijn zowel OFDM als CP-OFDM waardevolle modulatietechnieken in draadloze communicatie, en hun keuze hangt af van de specifieke vereisten van de toepassing.

OFDM blinkt uit in scenario’s met minimale multipath-interferentie en hoge spectrale efficiëntiebehoeften, terwijl CP-OFDM beter geschikt is voor uitdagende omgevingen met aanzienlijke multipath-interferentie en een vereiste voor robuuste communicatie. Het begrijpen van hun verschillen en afwegingen is van cruciaal belang bij het ontwerpen van draadloze communicatiesystemen om optimale prestaties en betrouwbaarheid te garanderen.